Nghiên cứu tiết lộ cách thức protein cảm nhận đường hoạt động như một 'cỗ máy' để bật và tắt sự phát triển của thực vật và sản xuất dầu

Nghiên cứu tiết lộ cách thức protein cảm nhận đường hoạt động như một 'cỗ máy' để bật và tắt sự phát triển của thực vật và sản xuất dầu
của Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven

Hình ảnh này cho thấy một loại protein thực vật có tên là KIN10 (màu vàng) hoạt động như một cảm biến và một công tắc để tắt hoặc bật quá trình sản xuất dầu tùy thuộc vào việc nó có tương tác với một protein khác (màu xanh lá cây) hay không. Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven

Protein là những cỗ máy phân tử, có các bộ phận linh hoạt và chuyển động được. Hiểu cách các bộ phận này di chuyển giúp các nhà khoa học làm sáng tỏ chức năng của protein trong sinh vật sống và có khả năng làm thế nào để thay đổi tác dụng của nó. Các nhà hóa sinh tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) của DOE đã công bố một ví dụ mới về cách thức hoạt động của một cỗ máy phân tử như vậy.

Bài báo của họ trên tạp chí Tiến bộ khoa học mô tả cách các bộ phận chuyển động của một loại protein thực vật cụ thể kiểm soát xem thực vật có thể phát triển và tạo ra các sản phẩm tiêu tốn nhiều năng lượng như dầu hay thay vào đó thực hiện một loạt các bước để bảo tồn tài nguyên quý giá. Nghiên cứu này đặc biệt tập trung vào cách bộ máy phân tử được điều chỉnh bởi một phân tử tăng giảm theo mức độ đường – nguồn năng lượng chính của thực vật.

Jantana Blanford, nhà hóa sinh của Phòng thí nghiệm Brookhaven, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Bài báo này tiết lộ cơ chế chi tiết thông báo cho tế bào thực vật biết rằng 'chúng ta có rất nhiều đường' và sau đó tín hiệu đó ảnh hưởng như thế nào đến các con đường sinh hóa kích hoạt các quá trình như tăng trưởng thực vật và sản xuất dầu”. tác giả.

Nghiên cứu này được xây dựng dựa trên công trình trước đó của nhóm Brookhaven đã phát hiện ra mối liên hệ phân tử giữa lượng đường và sản lượng dầu ở thực vật. Một mục tiêu tiềm năng của nghiên cứu này là xác định các protein cụ thể và các bộ phận của protein mà các nhà khoa học có thể thiết kế để tạo ra các loại cây tạo ra nhiều dầu hơn để sử dụng làm nhiên liệu sinh học hoặc các sản phẩm từ dầu khác.

John Shanklin, chủ tịch Khoa Sinh học của Phòng thí nghiệm Brookhaven và lãnh đạo nhóm nghiên cứu cho biết: “Việc xác định chính xác cách các phân tử và protein này tương tác với nhau như nghiên cứu mới này thực hiện sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với việc xác định cách chúng ta có thể thiết kế các protein này để tăng sản lượng dầu thực vật”. .

Làm sáng tỏ các tương tác phân tử
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sự kết hợp giữa các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và mô hình tính toán để tìm ra cách thức phân tử đóng vai trò là chất ủy quyền đường liên kết với một "kinase cảm biến" được gọi là KIN10.

KIN10 là protein chứa các bộ phận chuyển động xác định con đường sinh hóa nào đang bật hoặc tắt. Các nhà khoa học đã biết rằng KIN10 hoạt động vừa là cảm biến đường vừa là công tắc: Khi lượng đường thấp, KIN10 tương tác với một protein khác để tạo ra một loạt phản ứng cuối cùng làm ngừng sản xuất dầu và phá vỡ các phân tử giàu năng lượng như dầu và tinh bột để tạo ra năng lượng cung cấp năng lượng cho tế bào.

Nhưng khi lượng đường cao, chức năng ngừng hoạt động của KIN10 sẽ tắt - nghĩa là thực vật có thể phát triển và tạo ra nhiều dầu cũng như các sản phẩm khác với nguồn năng lượng dồi dào.

Nhưng làm thế nào để proxy đường liên kết với KIN10 chuyển đổi?

Sơ đồ này cho thấy hai con đường KIN10 và protein liền kề, GRIK1, đi theo trong điều kiện lượng đường thấp và cao. Lượng đường thấp cho phép bổ sung phốt phát (P) vào KIN10, kích hoạt dòng phosphoryl hóa dẫn đến sự phân hủy các enzym liên quan đến quá trình tổng hợp dầu. Điều này bao gồm sự xuống cấp của WRI1, công tắc chính để tổng hợp dầu. Tuy nhiên, khi có nhiều đường, một phân tử proxy đường (T6P) liên kết với vòng KIN10 để ngăn chặn sự tương tác của nó với GRIK1. Điều đó giữ cho con đường tổng hợp dầu luôn mở. Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Để tìm hiểu, Blanford bắt đầu với câu ngạn ngữ “sự đối lập thu hút”. Cô đã xác định được ba phần tích điện dương của KIN10 có thể bị thu hút bởi các điện tích âm dồi dào trên phân tử proxy đường. Một quy trình loại bỏ trong phòng thí nghiệm bao gồm việc tạo ra các biến thể của KIN10 với những sửa đổi đối với các vị trí này đã xác định được một vị trí gắn kết thực sự.

Sau đó nhóm Brookhaven chuyển sang hợp tác với các đồng nghiệp tính toán tại PNNL.

Marcel Baer và Simone Raugei tại PNNL đã kiểm tra ở cấp độ nguyên tử xem proxy đường và KIN10 khớp với nhau như thế nào.

Baer cho biết: “Bằng cách sử dụng mô hình đa quy mô, chúng tôi quan sát thấy rằng protein có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau nhưng chỉ một trong số chúng có thể liên kết một cách hiệu quả với proxy đường”.

Mô phỏng PNNL đã xác định được các axit amin quan trọng trong protein kiểm soát sự liên kết của đường. Những hiểu biết tính toán này sau đó đã được xác nhận bằng thực nghiệm.

Sự kết hợp của thông tin thực nghiệm và tính toán đã giúp các nhà khoa học hiểu được sự tương tác với proxy đường ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động xuôi dòng của KIN10 như thế nào.

Lật công tắc
Shanklin cho biết: “Các phân tích bổ sung cho thấy toàn bộ phân tử KIN10 rất cứng ngoại trừ một vòng dài linh hoạt”. Các mô hình cũng cho thấy tính linh hoạt của vòng lặp là điều cho phép KIN10 tương tác với protein kích hoạt để kích hoạt chuỗi phản ứng mà cuối cùng làm ngừng hoạt động sản xuất và lập kế hoạch sản xuất dầu. 

tăng trưởng.

Khi lượng đường thấp và có ít phân tử proxy đường, vòng lặp vẫn linh hoạt và cơ chế tắt có thể hoạt động để làm giảm sự phát triển của thực vật và sản lượng dầu. Điều đó có ý nghĩa trong việc bảo tồn các nguồn tài nguyên quý giá, Shanklin nói.

Hoạt hình này cho thấy một vòng lặp linh hoạt (màu cam) trên protein thực vật có tên KIN10 (màu vàng) cho phép nó tương tác với một protein khác (màu xanh lá cây) - nhưng chỉ khi lượng đường thấp. Sự tương tác của hai protein kích hoạt một loạt các phản ứng phá vỡ các protein khác liên quan đến quá trình tổng hợp dầu để cây có thể bảo tồn nguồn tài nguyên của mình. Khi lượng đường cao, nghĩa là cây có nguồn tài nguyên dồi dào, một phân tử proxy đường sẽ chặn chuyển động lắc lư của vòng lặp. Điều đó ngăn cản sự tương tác với protein, giúp duy trì con đường sản xuất dầu. Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven
Nhưng khi lượng đường cao, proxy đường sẽ liên kết chặt chẽ với KIN10.

Blanford cho biết: “Các tính toán cho thấy cách phân tử nhỏ này chặn vòng lặp quay xung quanh và ngăn không cho nó kích hoạt tầng tắt máy”.

Một lần nữa, điều này có ý nghĩa vì thực vật có sẵn lượng đường dồi dào để tạo ra dầu.

Bây giờ các nhà khoa học đã có thông tin chi tiết này, họ có thể sử dụng nó như thế nào?

Shanklin cho biết: “Chúng tôi có thể sử dụng kiến thức mới của mình để thiết kế KIN10 với độ bền liên kết thay đổi cho chất đường nhằm thay đổi điểm đặt mà tại đó thực vật tạo ra những thứ như dầu và phân hủy mọi thứ”.